超聲波傳感器(上)

1、8.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)8.2 超聲波傳感器超聲波傳感器8.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用第八章第八章 超聲波傳感器超聲波傳感器返回主目錄 超聲波的基本特性超聲波的基本特性超聲技術(shù)是一門以物理學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)、應(yīng)用十分廣泛的通用技術(shù)之一。目前，超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門，例如超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲檢測和超聲醫(yī)療等方面，并取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國對超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分活躍。在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)行、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率等具有重要的意義。 超聲波

2、具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超聲振動(dòng)輻射大小不同大致可分為：利用超聲波使物體或物件發(fā)生變化的功率效應(yīng)，稱之為功率超聲；利用超聲波獲取若干信息，稱為檢測超聲。這兩種超聲的應(yīng)用，同樣需要借助于超聲波傳感器(或稱為換能器、或探頭)來實(shí)現(xiàn)。一般說來，人們可聽到的聲音頻率范圍大約為20Hz20kHz，即為可聽聲波。超過此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。一般說話的頻率范圍為100Hz8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，利用這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器，系統(tǒng)中就是利用了高頻超聲波反射能力強(qiáng)的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)距離的

3、測量。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，一般為340 m/s，這就使得超聲波傳感器的使用變得非常簡單。超聲波是高于聽覺頻率閾值的機(jī)械振動(dòng)，超聲波在聲場（被超聲所充滿的空間）傳播時(shí)，如果超聲波的波長與聲場的尺度相比，遠(yuǎn)小于聲場的尺度，超聲波就像處在一種無限介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由地向外擴(kuò)散。3. 超聲波對超聲場產(chǎn)生的作用超聲波對超聲場產(chǎn)生的作用(效應(yīng)效應(yīng)) (1) 機(jī)械作用超聲波在傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替地壓縮與伸張，組成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，位移雖然不大，但與超

4、聲振動(dòng)頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)加速度卻很大，有時(shí)超過重力加速度的數(shù)萬倍。這樣大的加速度足以造成對介質(zhì)的強(qiáng)大機(jī)械效應(yīng)，甚至能達(dá)到破壞介質(zhì)的作用。(2) 空化作用（清洗、分散、粉碎效應(yīng)）在流體動(dòng)力學(xué)中指出，存在于液體中的微氣泡(空化核)在聲場的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為聲空化。這種聲空化現(xiàn)象是超聲學(xué)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)之一。液體產(chǎn)生空化作用與介質(zhì)的溫度、壓力、空化核半徑、含氣量、聲強(qiáng)、粘滯性、頻率等因素有關(guān)。一般情況下、溫度高易于空化；液體中含氣高、變化閥位低，易于空化；聲強(qiáng)高也易于空化；頻率高，空化閥值

5、高，不易于空化。例如，在15kHz時(shí)，產(chǎn)生空化的聲強(qiáng)只需要0.162.6W/cm；而頻率在500kHz時(shí)，所需要的聲強(qiáng)則為100400 W/cm。在空化中，氣泡閉合時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度最大。局部壓力可達(dá)到上千個(gè)大氣壓，由此足以看出空化的巨大作用和應(yīng)用前景。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也是有能量吸收。同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩，介質(zhì)間相互摩擦而發(fā)熱，這種能量能使液體、固體溫度升高。超聲波在穿透兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，溫度升高值更大，這是因?yàn)榉纸缑嫔咸匦宰杩共煌瑢a(chǎn)生反射，形成駐波引起分子間的相對摩擦而發(fā)熱。超聲波的熱效應(yīng)在工業(yè)、醫(yī)療上都得到了

6、廣泛應(yīng)用。超聲波除了上述幾種作用（效應(yīng)）外，還有聲流效應(yīng)、觸發(fā)效應(yīng)和彌散效應(yīng)，它們都有很好的應(yīng)用價(jià)值。第八章第八章 超聲波傳感器超聲波傳感器 8.1 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì) 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng), 簡稱波。頻率在162104 Hz之間, 能為人耳所聞的機(jī)械波, 稱為聲波; 低于16 Hz的機(jī)械波, 稱為次聲波; 高于2104 Hz的機(jī)械波, 稱為超聲波。 如圖10 - 1。 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí), 由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同, 在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。 超聲波物理基礎(chǔ)頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中

7、，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象。超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。振動(dòng)方向和波振動(dòng)方向和波的傳播方向一的傳播方向一致。能在固體、致。能在固體、液體和氣體中液體和氣體中傳播。傳播。振動(dòng)方向和波振動(dòng)方向和波的傳播方向垂的傳播方向垂直。只能在固直。只能在固體中傳播。體中傳播。書上振蕩表示：表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。表面波隨深度增加衰減很快。表面波振動(dòng)軌跡是橢圓型，在固體表面?zhèn)鞑ァ?一、一、 超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換 由于聲源在介質(zhì)中施力方

8、向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同, 聲波的波型也不同。通常有: 縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波; 橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波; 表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間， 沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播, 表面波隨深度增加衰減很快。 為了測量各種狀態(tài)下的物理量, 應(yīng)多采用縱波。 縱波、 橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度, 氣體中聲速為344 m/s, 液體中聲速在9001900 m/s。 當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí), 除有縱波的反射、 折射外, 還發(fā)生橫波的反射和折射, 在某種情況下, 還能產(chǎn)生表面波。

9、 二、二、 超聲波的反射和折射超聲波的反射和折射 聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì), 在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射， 另一部分透射過界面, 在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射, 如圖10 - 2所示。 由物理學(xué)知, 當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí), 入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí), 入射角的正弦與折射角的正弦之比, 等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比, 即 21sinsincca 三、三、 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), 隨著傳播距離的增加, 能量逐漸衰減, 其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、

10、散射及吸收等因素有關(guān)。 其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 Px= P0e-x （10 - 2） Ix= I0e-2x （10 - 3）式中:Px、Ix距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng); x聲波與聲源間的距離; 衰減系數(shù), 單位為Np/m（奈培/米）。 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí), 能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、 散射和吸收, 在理想介質(zhì)中,聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散, 即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的, 介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種

11、效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、 探測器或傳感器。 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等, 而以壓電式最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷, 這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的: 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng), 從而產(chǎn)生超聲波, 可作為發(fā)射探頭; 而利用正壓電效應(yīng), 將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號, 可用為接收探頭。 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖10 - 3所示, 主要由壓電晶片、 吸收塊（阻尼塊）、 保護(hù)膜組成。壓電晶片多為圓板形, 厚度為。 超聲波頻率f與其厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層, 作導(dǎo)電的極板。阻

12、尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì), 吸收聲能量。如果沒有阻尼塊, 當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號停止時(shí), 晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩, 加長超聲波的脈沖寬度, 使分辨率變差。 10.3 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 一、一、 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。 如果從發(fā)射超聲脈沖開始, 到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知, 就可以求出分界面的位置, 利用這種方法可以對物位進(jìn)行測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能, 傳感器又可分為單換能器和雙換能器。 單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波均使用一個(gè)換能器, 而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由

13、一個(gè)換能器擔(dān)任。 圖10 - 4給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置水中, 讓超聲波在液體中傳播。 由于超聲波在液體中衰減比較小, 所以即使發(fā)生的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方, 讓超聲波在空氣中傳播, 這種方式便于安裝和維修, 但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。 對于單換能器來說, 超聲波從發(fā)射到液面, 又從液面反射到換能器的時(shí)間為 vht22vth式中: h換能器距液面的距離; v超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。 對于雙換能器來說, 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s, 而 s = （10 - 6）因此液位高度為 h =

14、（s2-a2）1/2 （10 - 7）式中: s超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離; a兩換能器間距之半。2vt 從以上公式中可以看出, 只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間, 便可以求得待測的物位。 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn), 但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)有較大的誤差。在一般使用條件下, 它的測量誤差為0.1%, 檢測物位的范圍為10-2104 m。 二、二、 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 超聲波流量傳感器的測定原理是多樣的, 如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳輸時(shí)間差法。 超聲波在流體中傳輸時(shí), 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的, 利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度, 再根據(jù)管道流體的截面積, 便可知道流體的流量。 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器, 它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波, 一個(gè)裝在上游, 一個(gè)裝在下游, 其距離為L。如圖10 - 5所示。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1, 逆流方向的傳輸時(shí)間為t2, 流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c, 流體流動(dòng)速度為v, 則 t1 = （10 - 8） t2 = （10 - 9） 一般來說, 流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度, 那么超聲波傳播時(shí)間差為vcLvcL t=t2-t1= （10 - 10）由于cv, 從上式便可得